太阳能学习总结及体会

学习总结及体会

随着矿物能源匮乏和环境污染日益严重，人类越来越重视可再生能源的开发和利用。太阳能作为一种可再生的新能源，具有清洁、环保、持续、长久的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。当人类开始利用土地，进行农耕畜牧，繁衍生息时，就开始得益于太阳能的利用。太阳能利用的现代科学技术研究始于1845年，到目前为止，人们还在不断的探索太阳能利用技术，使其能更好的融入生产和生活中。

太阳能利用包括光伏发电、光热发电、太阳能光化学制氢转换以及太阳热水器、太阳房等利用方式，其中太阳热水器已经实现大规模商业化。

一、太阳能利用的方式

太阳能的转换和利用方式目前有：光一热转换，光—电转换，光—化学转换三种。

光一热转换是太阳能热利用的基本方式。它是利用太阳能将水加热储于水箱中，以便利用的方式，这种热能可以广泛应用于采暖制冷干燥温室烹饪以及工农业生产等各个领域。光热产品则是直接把太阳能转化为热能如太阳热水器等。

我们知道，太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25 一2.5μm 范围内。从光热效应来讲, 太阳光谱中的红外波段直接产生热效应, 而绝大部份光能不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热, 主要是我们的衣服和皮肤吸收太阳光线, 从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲, 黑色意味着光线的几乎全部的吸收, 被吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换, 似乎用黑色的涂层材料就可满足了, 但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知，黑体辐射的波长范围大约在2—100μm 之间, 黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关, 辐射强度的峰值对应的波长在10μm 附近。

由此可见, 太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠。因此要实现最佳的太阳能热转换, 所采用的材料必须满足以下两个条件：①在太阳光谱内吸收光线程度高, 即有尽量高的吸收率α；②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失,即有尽可能低的发射率ε。一般来说,对同一波长而言, 材料的吸收率和发

射率有同样的数值, 即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率α与反射率γ及透射率t 满足如下关系: α+γ+t=1。对于不透明材料由于t= O,则α+γ=1。而对于黑色物体来说,γ=O,则α=1。根据以上讨论,可知最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内, 即λ< 2.5μm,有α≈1( 即≈γ0)；而在λ> 2μm , 即热辐射波长范围内,有ε≈0 ( 即≈γ1或≈α0)。一般将具备这一特性的涂层材料称为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件, 如在热辐射波长范围内ε有较大的值, 则尽管在太阳光谱≈α1, 仍有很大的热辐射损失。这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部份: 红外反射底层(铜、铝等高红外反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5μm)附近产生强烈的吸收, 在红外波段则自由透过, 并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。实际上利用的选择性涂层材料, 多是将超细金属颗粒分散在金属氧化物的基体上形成黑色吸收涂层。这通常采用电化学, 真空蒸发和磁控溅射等工艺来实现。

在太阳能热水器上得到广泛应用的太阳能吸热涂层主要有: 磁控溅射涂层, 选择性阳极氧化涂层等。从使用和经济角度考虑, 对光热转换材料的基本要求, 除了吸热性能外, 还要求使用寿命要长, 生长成本要低等。我国从80 年代开始加快了在太阳能吸热材料方面的研究, 像清华大学, 北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料。所研制的黑钻选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性, 适合应用在工作温度较高的真空集热管上。研制成功的用于全玻璃真空管上铝—氮/ 铝太阳光谱选择性吸收涂层也具有很好的性能参数。近来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法, 所研制的选择性吸收涂层材料向多层化, 梯度化发展。如倍受重视的氮化铝选择性吸收涂层是新一代的吸热涂层的代表。从目前已达到的水平来看, 光热转换材料的性能还可进一步提高, 这不仅需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺，还可在涂层的玻璃盖板表面上做文章。如德国某研究所，利用全息照相技术，在平板盖板表面上进行纳米结构处理, 以增加太阳光透射率，减少太阳能的反射损失，从而使太阳能的热利用效率得到了进一步提高。

太阳能光伏发电可直接将太阳光能转换成电能，是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术，具有许多优点，如:安全可靠、无噪声，能量随处可得，不受地域限制,无机械转动部件,故障率低,维护简便，可以无人值守，建站周期短,规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。因此,在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具活力的研究领域。

光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应( Photovoltaic Effect) ”,简称“光伏效应”。然而,第一个实用单晶硅光伏电池 (Solar Cell) 直到1954 年才在美国贝尔实验室研制成功,从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。

太阳能光伏转换主要是以半导体材料为基础, 利用光照产生电子—空穴对, 在附结上可以产生光电流和光电压的现象(光伏效应), 从而实现太阳能光电转换的目的。通常所用的半导体材料为硅、锗和Ⅲ—Ⅴ化合物等。一般对太阳能电池材料有如下一些要求: 要充分利用太阳能辐射, 即半导体材料的禁带不能太宽, 否则太阳能辐射利用率太低;；有较高的光电转换效率; 材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。能达到这几条要求的主要有锗、硅、砷化稼、硫化铜、锑化锡等。特别像锗、硅、砷化稼等的禁带宽度相当于近红外线的光子, 对这样的半导体, 太阳光谱的大部分, 包括各种可见光都可以用来产生电子一空穴对。但考虑到只有禁带宽度在0.5一1.5电子伏特的半导体才有较高的光电转换效率, 因此硅、砷化稼等是理想的电池材料。而锑化锡由于锡是有毒元素, 其应用受到一定限制。再从原料资源、生产工艺和性能稳定性等方面综合考虑, 硅是最合适最理想的太阳能电池材料,这也是为什么太阳能电池主要以硅材料为主的原因。

太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等几大类。开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高效率和降低成本。

1、体硅太阳电池晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导